引力波——天文學漫談之二

1

發現引力波的文章標題是「從一個雙黑洞體系的合併而觀察到的引力波」。這篇文章於2016年2月12日發表在《物理評論快報》上。

2

這個引力波信號是於2015年9月14日觀察到的，所以編號為GW150914,頻率為35至150赫茲,持續時間不到0.5秒。

圖：引力波信號

3

該觀測的理論基礎有兩個： 第一個是1916年愛因斯坦在廣義相對論中提出的引力波。 第二個是1916年卡爾·史瓦西提出的黑洞理論。

4

觀測的難度是引力波信號極其微弱。打一個比方，就好比一個人在北京喊一聲，讓別人在天津聽一樣。不僅聲音會隨著距離而變弱，而且有很多別的聲音在裡邊。怎麼聽到這個人的喊聲，挑戰很大。愛因斯坦當年就預測到引力波會很弱，直到1957年，還在辯論是否存在引力波。直到1975年，才間接觀測到了引力波。

5

世界上目前至少有4個引力波觀測系統,包括日本的TAMA 300，德國的GEO 600， 義大利的Virgo和美國的LIGO（激光干涉引力波天文台）.這個引力波信號是美國的LIGO觀察到的。在這個信號到達地球時，義大利的Virgo正在進行升級，德國的GEO600不在觀察狀態，美國的LIGO是當時唯一處於觀察狀態的系統。

圖：激光干涉引力波天文台兩個觀測站的位置

這個信號被路易斯安那州和華盛頓州的兩個觀測站差不多同時觀察到。這兩個觀測站的距離為10毫秒光程，在10毫秒內，光能傳播3000公里。這個距離相當於北京到烏魯木齊的距離。觀測到的信號時差為6.9毫秒。

6

LIGO創建於1992年，其工作原理類似於激光測距。激光不停地在相距四公里之間的兩個物體之間震蕩，測量他們的距離。當引力波到來時，會引起兩個物體之間距離的變化，使其距離不再是4公里，從而觀測到引力波。LIGO包括兩個互相垂直的四公里長的測量臂。這樣，從不同方向傳來的引力波都可以偵測到。

圖：激光干涉引力波天文台工作原理

7

LIGO的激光系統進行過兩次升級，第一次是從20瓦升級到700瓦，靈敏度提高了35倍， 第二次是從700瓦升級到10萬瓦，靈敏度又提高了143倍。這個引力波信號就是在第二次升級後不久觀察到的。

8

因為很多信號如地震、溫度變化等都可能對測量產生干擾，所以設計了很多系統來減少這種干擾。為了減少溫差的干擾，特別選用了特種材料。為了減少空氣引起的光散射問題，那兩個4公里長的測量臂是放在真空管里的，真空壓力為百萬分之一帕斯卡。

9

同時，觀測站還配置有地震儀、加速度計、聲波儀、磁力計、微波接收器、天氣感測器、交流電線形監視器和宇宙射線探測器。全部系統通過衛星導航系統校準時間，誤差小於10微秒。

10

第一個黑洞的質量為36個太陽，第二個黑洞的質量為29個太陽，合併後的黑洞為62個太陽質量，生成的引力波能量為3個太陽質量。

11

測量的信噪比為24，虛假率為每20萬3000年一次。

12

推測出的黑洞沒有顯示與廣義相對論抵觸。

圖：黑洞理論計算的黑洞合併過程

13

本觀測有兩個第一：第一次直接觀測到了引力波。第一次直接觀測到了兩個黑洞的合併。並且，提供了新的觀測宇宙的工具。不僅是看，而且能聽。

14

引用文獻118篇，作者大約有1000位，合作單位133個。

15

在第一次直接觀測到引力波後，LIGO又多次觀測到了引力波。最新觀測到的引力波是GW170817。從引力波的編碼，我們知道這是於2017年8月17日觀測到的信號。這次，不僅聽到了中子星合併的引力波，而且看到了合併時的電磁輻射。從另一個角度證明了引力波觀測的可靠性。

圖：中子星合併

在此，我們要對人類取得的如此成就表示恭喜。

未完待續，敬請關注

古今品談∣有用的公眾號

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！